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Verfahren für das irIikroschwei ßen unter Druck vermittels eines Laserstrahls
und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
für das lviikroschweißen unter Druck vermittels eines Laserstrahls.
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Bei dem klassischen Mikroschweiß en ";rird die Verschweiß ung allgeme
vermittels zweier Elektroden durchgeführt, die mit einer elektrisc. S-cromquelle
niedriger Spannung verbunden sind und durch eine e1 ek nische Anordnung geste.uer-t
werden, so daß es möglich ist, die Schweißzeit als Funktion der Charakteristika
der zu verschweiBend Materialien einzuregeln. Es ist erforderlich, daß die ',Materialien
gute elektrische Leiter darstellen, wodurch das lLnwenden derartigiäiikroschweißungen
erheblich eingeschränkt wird, .und allgemein sin( die Abmessungen der zu erzielenden
Verscliweißungen durch die Abmessungen der zur Anwendung kommenden Elektroden begrenzt,
wodurc: die Arbeiten insbesondere in dem Fall von Schweißpunkten sehr kle-, her
Abmesaungen kompliziert werden.
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Es ist bereits bekannt, Laserstrahlen für das 2aaktverschweißen
oder Bandvmschwe=ß en mit sehr geringen Abmessungen zwischen leitfähigen und nicht
l@,itfähigen Ma: z:r-alien anzuwenden.
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Das erfindungsf;erä;e!fil.rcgcrzca@e.i'@3erfahrqn ist adurch geitennzeick
einer vorherbestimmten und 1 okalisierbaren Druckeinwirkung beaufschlagt
wird, wobei die Achse längs der die Druckeinwirkung erfolgt, praktisch mit der optischen
Achse des Laserstraps zusammenfällt.
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Eine für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete
Vorrichtung weist z.B. ein System mit wenigstens einer Zange auf, deren Backen es
ermöglichen auf die zu verschweißenden Teile einen zuvor einstellbaren Druck auszuüben,
wobei wenigstens eine der Backen eine Anordnung für das Beaufschlagen wenigstens
eines Laserstrahls auf die zu verschweißenden Teile aufweist, und das Beaufschlagen
desselben längs der Druckachse erfolgt. Zu diesem Zweck können die Backen ein oder
mehrere .Bauelemente tragen, die mit den Lasergeneratoren verbunden sind, wobei
diese Bauelemente eine analoge Rolle, =wie die Elektroden bei dem elektrischen ,1-kroschweißen
aufweisen. . -r.,an weiß, daß die Elektroden bei den klassischen Schweißvorrichtungen
eine doppelte Rolle spielen, und zwar einmal die zu verschweißen den Elemente zusammendrücken
und zum anderen zu einem Erhitzen derselben aufgrund des Durchtrittes eines elektrischen
Stroms führen. Erfindungsgemäß erfüllen diese Bauelemente, die im folgenden in Analogie
zu den Elektroden bei den klassischen Schweißvorrichtungen als "Elektroden" bezeichnet
werden, eine ähnliche tolle, und zwar dienen dieselben einerseits dem Zusammendrücken
der zu verschweißenden Elemente und andererseits einem punktförmigen .erhitzen,
und zwar nicht mehr durch den Durchtritt eines elektrischen Stroms, sondern vermittels
eines Laserimpulses.
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:Die Verbindung zwischen den Elektroden und den- Lasergeneratoren
kann schmiegsam oder starr sein. In dem Fis? i einer starren Verbindung, und dies
betrifft lediglich das aktive Element des Lasers - zoBo ein Rubinstab - kann die
optische Pumpe koaxial bezüglic4
des aktiven Elementes gleitbar
angeordnet sein, und zwar zöB. in' Form der Anordnungen, wie sie in der französischen
Patentschrift 943 179 unter der Bezeichnung "Anpassung von Laserköpfen an mechanische
Anordnungen und insbesondere an Mikroskope" beschrieben ket. Das: aktive Element
ist vorzugsweise koaxial zu der Elektrode angeord net, und die Elektrode ist röhrenförmig
ausgeführt. Dieselbe enthält ein optisches System, dessen Rolle darin besteht, die
Kontentration der Energie des Laserimpuleee und dessen genaue Lekalieierung an den
zu verschweißenden Materialien zu ermöglichen. Dieses optische System kann in Form
einer Kupe oder Mikroskop oder selbst in Form einer veränderlichen Oeffnung für
das Strahlenbündel analog dea veränderlichen Ob jektivöffnungen vorliegen, wie sie
z.B. auf dei Gebiet der Kinematographie angewandt werden.
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Ein Schweißen kann in besonders einfacher Weise vermittels einer derartigen
Vorrichtung ausgeführt werden, indem ein vorherbestimm-, ter Druck auf die zu verschweißenden
Teile vermittels der Elektrode ausgeübt wird und man gleichzeitig den Lasergenerator
in Tätigkeit setzt, der mit dieser Elektrode zusammenarbeitet, und nach Scharfeinstellen
dds laserstrahleäbündels auf den Teilern sind die Abmeesungen der Punkt- oder Nandverschweißung
in einfacher Weise '.durcY das Ausmaß der Scharfeinstellung des Strahlenbündels
begrenzt.
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Die Einfachheit der erfindungsgemäßen Mikroschweißvorrichtung stellt
ein beaondere zweckmäßiges Werkzeug bei allen Arbeitsweisen dar, wo die Miniaturisierung
im Speil ist, und insbesondere auf elektronischem und laechaniechem Gebiet, wobei
diese Arbeitsweisen bisher das Anwenden verwickelter Voriichtungen erforderlich
machten Bei derartigen Arbeitswei en, wo eine große Anzahl identischer Yenechweißungen
allgemein ausgeführt wird, können mehrere Laserköpfe die gleichzeitig oder abwechselnd
arbeiten, vortelhafterweise parallel an einem gleichen. Geetell angeordnet nein.-In
dem Fall, wo
die zu verschweißenden Materialien besonders dick sind,
können weiterhin zwei Elektroden gleichzeitig gegenüberliegend zueinander für das
Durchführen einer Verschweißung angewandt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen erläutert: Fig. 1 zeigt schematisch im Aufriß die Mikro$chweißvorrichtung
in der Zage für das Einführen der zu verschweißenden Elemente.
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Fig. 2 ist ein Aufriß im vergrößerten Maßstab, teilweise im Schnitt,
eines Teile der Mirkoechweißvorrichtung in der Arbeitslage, wobei eine Elektrode
und eine Befestigungart der Blitzlichtröhre des Laserkopfes wiedergegeben ist'.
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'Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Mikroschweißvorrichtung-mit
mehreren Lazerköpfen. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2weist ein ort$feetee
Gestell 1 einen ortsfesten Objekttisch 2, einen bezüglich des Ob jektivtieches 2
beweglichen Nerkzeughalter 3 und ein bezüglich des Werkzeughalter 3 beweglichen
Bauelement ¢ auf. Hierbei spielen der Objekttisch 2 und der Werkzeughalter 3 die
Rolle der Badken der oben angegebenen Zange.
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Der Werkzeughalter 3 wird durch eine Winde gesteuert, und trägt ein
zylinderförmiges Bauelement 5, das im folgenden durch den Ausdruck "Elektrode" aufgrund
der Analogie mit den Elektroden bei den klassischen Mikrovorrichtungen bezeichnet
wird. Die Elektrode 5, die an dem Werkzeughalter 3 befestigt ist, weist eine zylinderförmige
Auenehmung 6 -auf und besitzt im Inneren einen halbdurchscheinenden Spiegel 7 und
eine Pokuasierungslinee 8, die axial bezüglich dee Spiegels 7 beweglich ist. Es
ist auswechselbar eine konische Spitze 9 in das innere Teil der Elektrode 5 eingeechraub
t und ist ein aktives Element 10 eines Zaaerlmpfes - z.B. ein Rubinetab -
auetaueehbar an dem oberen Teil - @ G
der Elektrode 5 einer
Rändelscheibe 11 befestigt.
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Das bewegliche Element 4 schließt eine Blitzlichtröhre 12 ein, die
mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist und stellt die optische Pumpe dar, die
mit dem aktiven Element 10 zusammenarbeitet. Die Blitzlichtröhre 12 stellt eine
schraubenförmige Röhre kaaxial zu dem aktiven Element 10 dar und ist bezüglich des
Elementes 10 vermittels Gleiten der Anordnung 4 in Gleitschienen des Gestells 1
unter der Einwirkung eines Zahnrades 13 beweglich, das.mit einer Zahnstange 14 zusammenwirkt.
' Das ortsfeste Gestell 1 schließt die Speise- und Regelvorrichtungen des Laserkopfes
(nicht wiedergegeben) ein, und vermittels dieser Vorrichtung kann sowohl die Speisespannung
als auch die in den Kondensatoren vorliegende Energie , sowie wahlweise beide eingeregelt
werden.
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Um zwei Teile 15 und 16 zu verschweißen, werden dieselben auf den
Objekttisch 2 senkrecht zu der Elektrode 5 angeordnet g und die letztere wird gegen
das' Teil des Bauelementes 15 gerichtet, an dem man das Schweißen ausführen will,
indem der Werkzeugträger 3 nach .unten geführt wird. Sodann wird die Zage der Zinse
8 dergestalt eir geregelt, daß der Laserstrahl sawohl bezüglich eines Punktes der
Berührungsfläche der zwei Teile als auch der bberen Oberfläche des Teils 15 fokussiert
ist (wie in der Fig. 2 wiedergegeben.), wobei die erste Art der Einregelung insbesondere
auf das Verschweißen vor dicken Gegenständen anwendbar ist und die zweite Art der
VerechweiC eung dem Verschweißen von Gegenständen geringer Dicken dient. Das Ausmaß
der Pokueeierung des Strahls wird als Funktion der Abmeeeungen, drr gewünschten
Verechweißung bestimmt.
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Nach dem Poku$eieren des laserstrahls wird ein vorherbestimmter Druck
durch die Elektrode 5 vermittels der den Werkzeughalter steuernden Winde ausgeübt,
und für das Ausbilden der Versehweißung
ist es sodann ausreichend,
die Blitzlichtröhre 12 in Funktion zu setzen.
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Die hauptsächlichen Bauelemente der Vorrichtung - Elektrode 5, aktives
Element 10, Blitzlichtröhre 12 - sind austauschbar und anabhängig voneinander vorgesehen.
Es ergibt sich somit, daß der Austausch eines dieser Bauelemente ausgeführt werden
kann, ohne daß sich Abänderungen in der optischen Einregelung ergeben.
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Der Durchmesser des Ver$chweißungspunktes, oder die Breite der Schweißnaht,
hängt einzig von dem Ausmaß der Fokussierung des Laserstrahls ab, und die Vereuche
haben gezeigt, daß im größten Teil der Fälle Verschweiß ungen sehr kleiner Abmessungen,
in der Größenordnung einiger Zehntel eines Millimeters, erzielt werden können.
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Zusätzlich zu diesen Vorteilen ergibt sich die Möglichkeit, zwei gegenüberliegend
zueinander angeordnete Elektroden anzuwenden, um eo ein Verschweißen besonders dicker
Materialien auszuführen oder an eimm Gestell mehrere Elektroden anzuordnen, die
mit mehreren Lagerköpfen zusammenarbeiten und gleichzeitig oder nacheinander in
Betrieb genetzt werden in Abhängigkeit von den Erfordernissen der auezuführenden
Schweißungen.
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Diese letztere Art der Anordnung wird vchematisch durch die Fig. 3
wiedergegeben, in der eich gleiche Bezugezeichen auf gleiche Bauelemente wie in
den Fig. 1 und 2 beziehen. Es iat. ein ortefestee Geetell 1 vorgesehen,
das eine Mehrzahl Objekttische 2@und Werkzeugkalter 3 aufweist, die bezüglich
der Objekttische 2 beweglich Bind. Jeder der Werkzeughalter 3 dient dazu
eine Elektrode 5 zu tragen.
Jede Elektrode 5 ist vermittele eineu echmiegeamen
Lichtleiters 17 z.B. in Form von Glasfeuern, die in eine Kunetetoffhüllie
eingeeehloeeen sind, mit einem Bauelement 4 verbunden, das
eine Blitzliohtröhre in ehraubenföraiger oder geradliniger lueführung
aufweiet, verbunden, die mit einem aktiven Element, wie z.B. einem Rubin zu@eammenarbeit
et. Die Elektroden 5 arbeiten parallel zateinan-
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der,
und die verschiedenen Blitzlichtröhren können entweder durch unabhängige Steuerungen
in dem Fall eines abwechselndes Arbeitens oder durch eine einzige Steuerung eines
gleichzeitigen Arbeitens in Funktion gesetzt werden. Die Verbindung durch den Lichtleiter
zwischen den Elementen 4 und den a#lektroden 5 ist besonders schmiegsam und stellt
somit einen Vorteil dar, da die Elemente 4 nicht unbedingt beweglich bezüglich der
Objekttische und bezüglich, der Elektroden sein müssen. Eine derartige Anordnung
ermöglicht es unter anderem die unter Hochspannung stehenden Elemente weiter entfernt
von den beweglichen Elementen anzuordnen und somit stellt dieselbe eine große Sicherheit
für die Bedienungsperson dar.
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Das die Blitzlichtröhre einschließende Bauelement kann auch im Inneren
des Gestells angeordnet sein, und die Lagen relativ zu den verschieden en Bauelementen
der Mikroschweißvorricht ung können auch anders als hier angegebenen vorgesehen
sein.